活性炭再生方法比較及廢核級活性炭再生現(xiàn)狀研究

張治權(quán) 李彥樟 陳建利 張崇文 張群

摘 要

活性炭是一種被廣泛使用的吸附劑，但其廢棄后會造成資源浪費(fèi)、二次污染等問題，故對活性炭再生進(jìn)行研究具意義重大。本文介紹了幾種活性炭的再生方法，并各自分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。廢核級活性炭給電站處理固體廢料帶來巨大壓力，需要尋找合適的辦法進(jìn)行減容處理，但當(dāng)前的核級活性炭再生方法僅處于理論與試驗(yàn)階段。

關(guān)鍵詞

活性炭;再生;廢核級

中圖分類號： TQ424.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.058

0 引言

活性炭有著旺盛的孔隙結(jié)構(gòu)及比表面積，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，方便再生，吸附能力強(qiáng)。廣泛應(yīng)用于吸附，食品，醫(yī)療，催化，儲能等生活各個(gè)領(lǐng)域。但活性炭的使用壽命短且成本高，一旦其吸附飽和的話，容易在高溫環(huán)境下再釋放形成二次污染。由于這些問題的出現(xiàn)，活性炭在各領(lǐng)域中的使用被很大程度限制。因此，為了活性炭能夠重新利用，需要探索出活性炭的再生手段，以便節(jié)約資源。

采用一定的理化或生物方法，在不損害活性炭原有結(jié)構(gòu)的前提下，恢復(fù)其大部分吸附能力，使其能夠再利用于吸附過程的目的，這就是活性炭的再生[1]。本文主要介紹國內(nèi)外對活性炭再生方法近些年來的研究，同時(shí)對其優(yōu)勢和不足進(jìn)行對比。

1 活性炭的再生方法

1.1 熱再生法

活性炭高溫?zé)嵩偕姆椒ㄊ菍钚蕴窟M(jìn)行升溫處理，高溫炭化其中的有機(jī)物，最中轉(zhuǎn)化為從孔隙中逸出的氣體，此時(shí)的活性炭得到重生[2]。熱再生法通常經(jīng)過3個(gè)階段分別為干燥、炭化以及活化。在干燥階段，通過蒸發(fā)的方式有效去除活性炭吸附的水和低沸點(diǎn)有機(jī)物等揮發(fā)性成分;炭化過程中，吸附在活性炭上的有機(jī)物的一部分被分解，以小分子形式氣化脫離去除，剩余的有機(jī)物則被固定在活性炭上。最后活化過程，溫度升至850℃，通水蒸氣、二氧化碳等氣體進(jìn)行活化反應(yīng)，生成的一氧化碳、二氧化碳、氫氣等從活性炭上分解脫附，使活性炭重獲吸附能力。加熱再生法是工業(yè)上應(yīng)用最多、技術(shù)最純熟的一項(xiàng)方法，對于廢活性炭再生率高，再生徹底且無廢液產(chǎn)生。但再生過程中，改變活性炭表面結(jié)構(gòu)極易發(fā)生改變，對炭損失較大，對設(shè)備要求也十分嚴(yán)格，從而增加了投資運(yùn)營成本，一旦操作不當(dāng)還容易造成炭粒粘連。

1.2 溶液再生法

活性炭、溶劑、被吸附質(zhì)三者之間存在相平衡關(guān)系，溶液再生法就是通過變溫、變?nèi)芤旱乃釅A度等手段，打破三者間吸附平衡關(guān)系，最終使得吸附物質(zhì)能夠脫附下來。該方法破壞性很小，故通常應(yīng)用于貴重產(chǎn)品回收，但一種萃取溶劑只能脫附一些特定種類的污染物，如果被吸附物種類成分復(fù)雜，就需要多種萃取劑共同作用。同時(shí)，還需要使用腐蝕性較弱的化學(xué)溶劑，如果其腐蝕性強(qiáng)，就會腐蝕活性炭表面，破壞其孔隙結(jié)構(gòu)，這樣對吸附容量有很大的影響。

1.3 生物再生法

生物再生法是將培養(yǎng)的微生物降解吸附在活性炭表面的有機(jī)污染物，通過微生物的作用，有機(jī)物最終氧化分解為二氧化碳和水。生物再生法僅對能夠被分解的污染物有效果，如果吸附質(zhì)不能生物降解，則不能夠應(yīng)用此方法。此方法應(yīng)用前途廣，操作簡單，不破壞活性炭結(jié)構(gòu)，減少了化學(xué)試劑使用;但卻需要專門培養(yǎng)微生物，同時(shí)再生時(shí)間久，多次循環(huán)后效率出現(xiàn)下降。

1.4 催化濕式氧化法

催化濕式氧化再生法的發(fā)展基礎(chǔ)是熱再生法。它是活性炭表面上吸附的有機(jī)污染物會在高溫高壓條件下脫附，然后擴(kuò)散至溶液中，通過注入空氣，產(chǎn)生的羥基自由基，將脫附下的有機(jī)物氧化的一種再生方法[3]。由于高溫高壓條件耗能較高，所以經(jīng)過不斷研究探索，引入了催化濕式氧化法。投加催化劑能夠有效促進(jìn)活性炭再生，即為催化濕式氧化再生法。同其他活性炭再生方法比較，這種方法一旦選擇好合適的催化劑，可大幅降低能耗及反應(yīng)時(shí)間。但是其再生效率不高（約為50%），所需設(shè)備對耐腐蝕性耐高溫要求高，所產(chǎn)生的廢氣也要再處理[4]。

1.5 電化學(xué)再生法

電化學(xué)再生法在顆?；钚蕴可蠎?yīng)用廣泛，目前仍處于研究階段。其原理是將失效活性炭填充兩主極之間，在電解液內(nèi)通入直流電場，由于電場的作用，活性炭兩端呈現(xiàn)出相反的極性，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，活性炭表面吸附的污染物大部分被分解，剩余部分則直接脫附[5]。電化學(xué)再生法中，活性炭再生效率高，污染小，多次再生效率降幅很小，操作簡便價(jià)。但再生所需要的能耗較大，影響因素也很多，因此未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

2.6 超聲波再生法

在吸附滿的活性炭表面施加能量，被吸附的物質(zhì)就會因此而發(fā)生脫附，此時(shí)活性炭再生。超聲波再生法為用超聲波通入活性炭吸附面，再吸附面上形成高能量的“空化泡”，“空化泡”在溶液中不斷變大，裂變成小氣泡，在這些小氣泡表面和內(nèi)部形成部分高溫、高壓，致使水分裂成羥基自由基，同時(shí)高壓分離表面的有機(jī)污染物。超聲波再生法僅再局部需要能量，耗能低，利于回收有價(jià)值的物質(zhì)。但是活性炭孔徑會影響吸附效率，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，活性炭再生率低，不足五成。

2.7 微波輻射再生法

微波輻射再生法同樣依據(jù)熱再生法原理發(fā)展而來?；钚蕴课降奈廴疚铮瘴⒉芰?qiáng)于其本身，故利用微波作用產(chǎn)生高溫，吸附在活性炭表面的污染物一部分會炭化，另一部分則燃燒分解[6]。微波輻射再生的優(yōu)點(diǎn)是能耗低，加熱時(shí)間短，活性炭再生的效率高，但是對設(shè)備要求十分苛刻，同時(shí)存在分解物質(zhì)不能及時(shí)排出等問題，并且在脫附過程中，是否會產(chǎn)生其他中間產(chǎn)物尚不得知。

2.8 超臨界流體再生法

超臨界流體再生法是將物質(zhì)在超臨界狀態(tài)下，通過壓力或溫度的變化，改變物質(zhì)的溶解度，使其脫附于活性炭表面，最終達(dá)到再生。目前僅僅使用二氧化碳作為超臨界流體，因?yàn)槠渑R界溫度臨界壓力均不高，且無污染，我們還需要去尋找更多的超臨界流體，以便此方法得以發(fā)展。超臨界流體再生法優(yōu)點(diǎn)是不改變吸附質(zhì)原有性質(zhì)，活性炭再生效率高且損失小，其物質(zhì)性質(zhì)不受改變，但其缺點(diǎn)是需要設(shè)備耐高溫，所以目前該技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段[7]。

3 廢核級活性炭的再生方法探究

核電廠反應(yīng)堆在運(yùn)行時(shí)會產(chǎn)生各類氣載放射性污染物，其中放射性碘對人體最具威脅，這些放射性碘以碘單質(zhì)，有機(jī)碘等形式存在，為了盡量減少其排放至大氣，就需要碘吸附器作為放射性碘的吸附裝置進(jìn)行吸附，碘吸附器中的主要物質(zhì)就是核級活性炭。我國的核級浸漬活性炭，主要原料為椰殼活性炭，通過在其中添加少量比例的三乙烯二胺（TEDA）和碘化鉀（KI）等浸漬物制得。核級活性炭的存在大大降低了核電站的風(fēng)險(xiǎn)，但由于活性炭在核電站廢物處理領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛，飽和后具有放射性的廢核級活性炭將成為二次核廢物。資料表明，目前我國廢核級活性炭的存積量已經(jīng)達(dá)到數(shù)百噸，而且每年以數(shù)十噸的數(shù)量持續(xù)增加。如果以這樣的速度繼續(xù)增長下去，將會給我國核廢物處理帶來巨大壓力，故需要研究出安全有效的處理方法對核級活性炭進(jìn)行處理。

本文前面已經(jīng)討論出活性炭的再生方法，如若廢核級活性炭可以再生處理，則會大大降低二次廢物的產(chǎn)生。目前國內(nèi)外對核級活性炭再生研究的較少，張昭辰[8]等利用熱空氣吹脫法對廢核級活性炭上的有機(jī)吸附物進(jìn)行去除，但其選用的活性炭僅僅是自制廢核級活性炭，并未選用核電站廢核級活性炭，同時(shí)也未考慮再生過程中放射性核素的收集問題。因此，廢核級活性炭的再生目前僅僅停留在理論和試驗(yàn)階段，再生設(shè)備復(fù)雜，放射性核素收集難度大是存在的主要問題，如何解決以上問題，仍需要我們不斷探索。

4 結(jié)

目前我國年活性炭產(chǎn)量達(dá)到約70萬噸，其中煤質(zhì)活性炭產(chǎn)量約為45萬噸，其主要用于水處理與空氣凈化。如何將吸附飽和的活性炭進(jìn)行再生處理對環(huán)境保護(hù)以及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有著重大意義。同時(shí)對廢核級活性炭的再生處置已成為國際共識，此再生方法研究仍是目前我國需解決的主要問題。

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